[实用新型]一种凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种机械加工磨削液混合装置，具体的为一种凸轮滚子式超声波振动纳米流体混合装置。

背景技术

目前，磨削加工大量使用润滑剂，也称作浇注式磨削，对环境和工人健康伤害很大。由于环保要求，润滑剂的废液必须经过处理、达标后才能排放，废液处理耗资巨大，高达润滑剂成本的54％，使人们不得不对润滑剂作重新评价。德国对汽车制造厂作过调查，得到的结果是：工具费用只占加工成本的2％-4％；但与润滑剂有关的费用，却占成本的7％-17％，是工具费用的3-5倍。机械加工中的能量消耗，主轴运转需要的动力只占20％，与冷却润滑有关的能量消耗却占53％。这说明由于“环保和低碳”的要求，润滑剂的廉价优势已不存在，已经变成影响生产发展的障碍。

为保护环境、降低成本而有意识地完全停止使用润滑剂的干式磨削应运而生。干式磨削由于抛弃了润滑剂的使用，其环保方面的优势是不言而喻的。但由于磨削加工去除单位材料体积所消耗的能量远比铣削、车削、钻削等加工方法大得多，在砂轮/工件界面产生如此高的能量密度，仅有不到10％的热量被磨屑带走，这些传入工件的热量会聚集在表面层形成局部高温，因此在磨削加工中完全不使用润滑剂，不仅使加工工件表面质量恶化，而且砂轮使用寿命大幅度降低，甚至报废失效。

介于浇注式湿磨削和干式磨削之间的微量润滑技术是在确保润滑性能和冷却效果的前提下，使用最小限度的润滑剂。微量润滑是在高压气体中混入微量的润滑剂，靠高压气流(4.0-6.5bar)混合雾化后进入高温磨削区。传统的浇注式供液方式磨削液用量为单位砂轮宽度60L/h,而微量润滑的磨削液的消耗量仅为单位砂轮宽度30-100ml/h。高压气流起到冷却、排屑的作用，润滑剂黏附在工件的加工表面，形成一层保护膜，起到润滑的作用。该技术综合了浇注式磨削和干式磨削的优点，润滑效果与传统的浇注式磨削几乎没有区别。润滑剂一般采用植物油作为基础油的烷基酯，具有极好的生物降解性能、润滑性能以及粘度指数高、挥发性低、可再生、生产周期短、环境扩散少等特点，润滑剂的使用量只有传统加工方式的千分之几甚至万分之几，大大改善了工作环境，是一种高效低碳加工技术。可是，研究表明：高压气流的冷却效果很有限，满足不了高磨削区温度强化换热的需要，工件的加工质量和砂轮寿命比传统浇注式磨削明显降低，说明微量润滑技术还需要进一步改进与完善。

由强化换热理论可知，固体的传热能力远大于流体和气体。常温下固体材料的导热系数要比流体材料大几个数量级。悬浮有金属、非金属或聚合物固体粒子的流体的导热系数要比纯流体大几十倍甚至上百倍。在微量润滑介质中添加固体粒子，可显著增加流体介质的导热系数，提高对流热传递的能力，极大弥补微量润滑冷却能力不足的缺陷。此外，纳米粒子（是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）的超细微小固体成分）在润滑与摩擦学方面还具有特殊的抗磨减摩和高承载能力等摩擦学特性。

微量润滑润滑剂的制备方法是在纳米粒子和可降解的磨削液的混合液内添加烷基磺酸盐表面活性剂、硫酸二甲脂分散剂混合均匀后，得到稳定的悬浮液即纳米流体。纳米流体与压缩气体混合雾化后以射流的形式喷入磨削区，利用固体粒子传热能力远大于流体和气体的优势，不仅可以解决微量润滑冷却效果的不足，极大地改善生产环境、节省能源和降低成本实现低碳制造，而且使润滑液更有效冲破“气障”注入磨削区，提高进入砂轮/工件界面磨削介质的有效流量率。和湿法磨削相比降低磨削介质在楔形接触区引起的流体动压力和流体引入力，减少砂轮主轴挠度变形，提高工件的加工精度。更进一步地，还可利用喷射的纳米级固体粒子特殊的润滑性能与摩擦学特性，在砂轮/工件界面形成纳米粒子剪切油膜，进一步提高微量润滑磨削的润滑性能，因此更具有实际意义。

纳米粒子是粒径小于100nm的石墨成分或者氧化铝、碳纳米管，金属，润滑剂中纳米粒子的体积含量为1%-30vol%，磨削液为可降解的润滑油或植物油。

由于纳米流体各组成成分密度、比重不一，所以纳米流体在容器中就会出现密度大的沉积在容器的底部，密度小的漂浮在容器的表面，而有些成分就会悬浮在纳米流体容器中间，从而纳米流体会出现分层现象，这种情况会严重影响纳米流体成分的均匀性和同一性。为了使纳米流体能够在容器中均匀的混合，保证喷入到磨削区纳米粒子的换热和润滑性能，必须使纳米流体始终处于运动状态。不仅要求纳米流体在水平面内做摆动，而且还要在垂直面内做上下振动，同时还要保证运动的平稳性和准确性，不能带来过大的冲击，以防将纳米流体溅出容器甚至是破坏容器内纳米流体的成分含量。